2.2. Наночастки

Сучасна тенденція до мініатюризації показала, що речовина може мати зовсім нові властивості, якщо взяти дуже маленьку частинку цієї речовини. Частинки, розмірами від 1 до 1000 нанометрів зазвичай називають «наночастинками». Так, наприклад, виявилося, що наночастинки деяких матеріалів мають дуже хороші каталітичні та адсорбційні властивості. Інші матеріали показують дивовижні оптичні властивості, наприклад, надтонкі плівки органічних матеріалів застосовують для виробництва сонячних батарей. Такі батареї більш дешеві і можуть бути механічно гнучкими. Вдається домогтися взаємодії штучних наночасток з природними об'єктами нанорозмірів - білками, нуклеїновими кислотами та ін Ретельно очищені, наночастинки можуть самовистраіваться в певні структури. Така структура містить строго впорядковані наночастинки і також часто проявляє незвичайні властивості. Нанооб'єктів діляться на 3 основних класу: тривимірні частки, двовимірні об'єкти та одномірні об'єкти - вискер. [6]

Самоорганізація наночастинок. Одним з найважливіших питань, що стоять перед нанотехнологией - як змусити молекули групуватися певним способом, самоорганізовуватися, щоб в результаті отримати нові матеріали або пристрою. Цією проблемою займається розділ хімії - супрамолекулярна хімія. Вона вивчає не окремі молекули, а взаємодії між молекулами, які, організовуючи певним способом, можуть дати нові речовини. Обнадіює те, що в природі дійсно існують подібні системи і здійснюються подібні процеси. Так, відомі біополімери, здатні організовуватися в особливі структури. Один із прикладів - білки, які не тільки можуть згортатися в глобулярну форму, а й утворювати комплекси - структури, що включають кілька молекул протеїнів (білків). Уже зараз існує метод синтезу, який використовує специфічні властивості молекули ДНК.

Проблема освіти агломератів. Частинки розмірами порядку нанометрів або наночастинки, як їх називають в наукових колах, мають одну властивість, яка дуже заважає їх використанню. Вони можуть утворювати агломерати, тобто злипатися один з одним. Так як наночастки багатообіцяючі в галузях виробництва кераміки, металургії, цю проблему необхідно вирішувати. Одне з можливих рішень - використання речовин - дисперсантів, нерозчинних у воді. Їх можна додавати в середовище, що містить наночастинки.

2.3. Новітні досягнення

В даний час, наноматеріали використовують для виготовлення захисних та светопоглощающих покриттів, спортивного обладнання, транзисторів, светоіспускающіх діодів, паливних елементів, ліків і медичної апаратури, матеріалів для упаковки продуктів харчування, косметики та одягу. Нанопрімесі на основі оксиду церію вже зараз додають в дизельне паливо, що дозволяє на 4-5% підвищити ККД двигуна і знизити ступінь забруднення вихлопних газів. У 2002 році на Кубку ДевісаDavis Cup були вперше використані тенісні м'ячі, створені з використанням нанотехнологій. У 2007 році в Новосибірську почали виробляти ліки-тромболітик (спільна розробка фармацевтикою і фізиків-ядерників), яке не має аналогів в світі по ефективності, а ціна у багато разів менше.

Виробники вже одержують перші замовлення на нанопристрої. Наприклад, армія США замовила компанії Friction Free Technologies розробку військової форми майбутнього. Компанія повинні виготовити шкарпетки з використанням нанотехнологій, які повинні будуть виводити за межі шкарпеток піт, але зберігати ноги в теплі, а шкарпетки в сухості. Невідомо, чи будуть такі шкарпетки мати потребу в пранні.

Графен. У жовтні 2004 року в Манчестерському університеті було створено невелику кількість матеріалу, названого графен. Роберт Фрейтас припускає, що цей матеріал може служити підкладкою для створення алмазних механосінтетіческіх пристроїв.

Новий процесор Intel. 19 червня 2007 компанія Intel почала випускати звичайні і багатоядерні процесори, містять найменший структурний елемент розмірами приблизно 45 нм. Надалі компанія має намір досягти розмірів структурних елементів до 5 нм. Надалі компанія має намір перейти на нові матеріали, такі як квантові точки, полімерні плівки і нанотрубки. Основний конкурент Intel - AMD, у другій половині 2008 року запустить процесори, виконані по 45-нм техпроцесу.

Антена-осцилятор. 9 лютого 2005 повідомляється, що в лабораторії Бостонського університету була отримана антена-осцилятор розмірами порядку 1 мкм. Це пристрій нараховує 5000000000 атомів і здатне осцілліровать з частотою 1,49 гігагерца. Це дозволить передавати з її допомогою великі обсяги інформації.

Наноаккумулятор. На початку 2005 року компанія Altair Nanotechnologies (США) оголосила про створення інноваційного матеріалу для електродів літій-іонних акумуляторів. Акумулятори з особливими електродами мають час зарядки 10-15 хвилин. У лютому 2006 року компанія почала виробництво акумуляторів на своєму заводі в Індіані.

Нові паливні елементи для портативної техніки. Був розроблений водневий паливний елемент "Casio". Паливний елемент вдвічі легше літієвого акумулятора. Час автономної роботи більше в 3 рази. Уже з'явилися перші зразки цього пристрою. Очікується його серійне виробництво в недалекому майбутньому.

Бронежилет. Австралійські вчені запропонували виготовляти жилети з матеріалів на основі вуглецевих нанотрубок. Останні володіють пулеотталківающім властивістю - під впливом кулі тоненькі трубки прогинаються, а потім відновлюють форму з віддачею енергії.

Молекулярний автомобіль обзавівся мотором (2006 р.). Особливо важливим в області наномеханікі можна вважати створення нано-баггі Джеймсом Туром з університету Райса. Ця молекулярна машина їздить по атомам золотий підкладки за допомогою світлової енергії. Правда, у молекулярного автомобіля поки що немає заднього ходу і рульового керування та колеса з фулеренів (С60 молекули вуглецю, що нагадують футбольний м'яч), але зате він складається всього з 300 атомів золота і має власний автономний мотор. Наномашини настільки малі (їх розмір становить 3-4 нанометра), що 20 тис. пристроїв можна помістити на торці людської волосини. Науковий світ високо оцінює роботи Джеймса, оскільки до цих пір нікому не вдавалося створити рухому наносистем такої складності.

Двигун внутрішнього згоряння з двох молекул (2006 р.). Японськими ж вченими вдалося синтезувати новий тип наномотор, який приводиться в рух світлом. В роботі двох молекул використовується принцип роботи кривошипно-шатунного механізму спільно з поршнем, тільки на атомарному рівні. Рішення проблеми передачі і перетворення різних видів енергії одна в іншу в нанорозмірному діапазоні - один з відкритих питань наномеханікі, тому досягнення японських вчених можуть стати в нагоді при розробці наноробототехнікі.

ДНК-машини відкривають шлях наноробота (2006 р.). Періодичні структури на основі молекул ДНК з'явилися ще десять років тому. Тепер же вчені перейшли до конструювання наномеханіческіх ДНК-машин. Недавно вчені-нанотехнологи під керівництвом відомого ДНК-конструктора Неда Сімена створили руку робота на основі молекули ДНК і прикріпили її до двовимірної кристалічної ДНК-матриці. На думку дослідників, це відкриття - перший серйозний крок до розвитку наноробототехнікі. Універсальність молекули ДНК дозволяє тиражувати цей пристрій за допомогою генної інженерії, і тоді вчені зможуть створювати складні наномашини з безліччю маніпуляторів, здатні виконувати складні запрограмовані руху.

Перша робоча мікросхема на нанотрубці (2006 р.). Американським вченим з IBM вдалося вперше у світі створити повнофункціональну інтегральну мікросхему на основі вуглецевої нанотрубки, здатну працювати на терагерцового частотах. Нанопристрій працює на частоті, яка в 100 тис. разів більше, ніж у попередніх нанотрубкової чіпів.

Графен - основний конкурент нанотрубок (2006 р.). У вуглецевих нанотрубок з'явився серйозний конкурент в області наноелектроніки. Це розгорнута в двомірний лист вуглецева нанотрубка або наноматеріал графен, на основі якого вже створені графенові польові транзистори. Завдяки унікальним властивостям вуглецю в просторовій решітці графену, останній характеризується високою мобільністю електронів, що робить графен дуже перспективною основою наноелектронних пристроїв.

Флеш-пам'ять на основі нанотрубок (2006 р.). Нанотрубкової електроніка стає "теплою", і це дозволить їй швидше вийти на споживчий ринок. Групі дослідників вдалося створити флеш-пам'ять на основі нанотрубок. Пристрій поки ще не є повноцінним комерційним продуктом, але вчені сподіваються, що їх дослідження приведуть до розробки нових типів архітектури молекулярної пам'яті і дозволять налагодити масовий випуск таких електронних пристроїв. Нова флеш-осередок - це своєрідний «бутерброд», що складається з нанотрубок, композиту і кремнієвої підкладки. Його товщина всього кілька нанометрів. Природно, пам'ять, виготовлена ​​на основі «нанобутерброда» буде набагато більше мініатюрною, ніж сучасні аналоги.

Створено найшвидший польовий нанотранзистори (2006 р.). Це унікальний пристрій, створене вченими з Гарварда, складається з германієвої / кремнієвого ядра і кремнієвих нанострун. На думку експертів, це найдосконаліший польовий транзистор, який коли-небудь був створений. Ge / Si нанострунний польовий транзистор швидше в 3-4 рази, ніж будь-які сучасні кремнієві.

Транзистор з однієї молекули (2006 р.). Найменший розмір транзисторів, що виготовляються сучасної мікроелектронної промисловістю, становить 45 нанометрів. Новий нанотранзистори QuIET має довжину всього один нанометр. Нанотранзистори меншого розміру до сих пір виготовити не вдавалося. За словами вчених, перехід на надмалі транзистори буде проходити поступово - після закінчення природної еволюції звичайних кремнієвих мікрочипів.

Дисплеї-невидимки з'являться вже в 2008 році (2006 р.). Дослідження зі створення «невидимої» електроніки ведуться давно, але до сих пір вченим не вдавалося створити матеріал для транзисторів, який був би «невидимим» і в той же час забезпечував високу швидкість роботи. Тепер же вченими створено прозорі транзистори, які можуть поєднуватися з такими технологіями, як органічні світлодіоди, рідкокристалічні панелі і електролюмінесцентні дисплеї, які широко використовуються для виготовлення телевізорів, моніторів, ноутбуків і стільникових телефонів. За словами дослідників, дослідні зразки моніторів на прозорих транзисторах з'являться протягом найближчих 12-18 місяців.

"Святий Грааль" від електроніки. У 2006 з'явився новий клас напівпровідникових пристроїв, в які можна інтегрувати нано-магніти методом точного розміщення атомів металу на матеріал, з якого формується підкладка чіпа. Таким чином вчені сподіваються отримати контроль на атомному рівні за архітектурою чіпа і провести об'єднання декількох ключових компонентів комп'ютерів (процесор, пам'ять, жорсткий диск) в один пристрій. Об'єднання цих пристроїв комп'ютерів в один дозволить зменшити енергоспоживання і збільшить швидкість обробки інформації. В перспективі дана технологія може привести до появи на ринку мультимедійні пристроїв з одним чіпом, в якому буде "вся" обчислювальна електроніка і пам'ять. Це і "одноразові" електронні книги, і різні мобільні мультимедійні ігри, і просто "розумна пил". Про масове виробництво подібних чіпів поки не йдеться - вчені розмістили кілька атомів за допомогою зонда скануючого тунельного мікроскопа (СТМ), "вийнявши" попередньо атоми матеріалу підкладки. "Рідка броня" захистить краще кевлара? (2006 р.). На озброєнні США незабаром може з'явитися обмундирування нового типу, яке за своїми захисними властивостями та ергономічним характеристиками перевершує сучасні кевларові аналоги. Ефект сверхзащіти досягається завдяки спеціальному пакету з кевлара, наповненому розчином надтвердих наночасток в неіспаряющейся рідини. Як тільки відбувається механічний тиск високої енергії на кевларовую оболонку, наночастинки збираються в кластери, змінюючи при цьому структуру розчину рідини, який перетворюється на твердий композит. Цей фазовий перехід відбувається менш ніж за мілісекунду, що і дозволяє захистити солдатів не тільки від ножового удару, але і від кулі або осколка. І нещодавно американський холдинг-виробник солдатського обмундирування і бронежилетів U. S. Armor Holdings ліцензував технологію «рідкого бронежилета» і планує почати його масове виробництво в кінці цього року.

Лабораторія-на-чіпі: експрес-аналізатор крові (2006 р.). Дослідники з Каліфорнійського технологічного інституту розробили портативний аналізатор крові, який буде виконувати точний аналіз всього за 2 хвилини. Вони миниатюризировать лічильну машину-аналізатор, яка використовується в звичайних лабораторіях, і отримали пристрій, що не перевищує розмірами мобільний телефон. В результаті вийшла справжня портативна лабораторія, здатна проводити аналіз по краплі крові.

Молекулярний автомобіль обзавівся мотором (2006 р.). Особливо важливим в області наномеханікі можна вважати створення нано-баггі Джеймсом Туром з університету Райса. Ця молекулярна машина їздить по атомам золотий підкладки за допомогою світлової енергії. Правда, у молекулярного автомобіля поки що немає заднього ходу і рульового керування та колеса з фулеренів (С60 молекули вуглецю, що нагадують футбольний м'яч), але зате він складається всього з 300 атомів золота і має власний автономний мотор. Наномашини настільки малі (їх розмір становить 3-4 нанометра), що 20 тис. пристроїв можна помістити на торці людської волосини. Науковий світ високо оцінює роботи Джеймса, оскільки до цих пір нікому не вдавалося створити рухому наносистем такої складності.

Двигун внутрішнього згоряння з двох молекул (2006 р.). Японськими ж вченими вдалося синтезувати новий тип наномотор, який приводиться в рух світлом. В роботі двох молекул використовується принцип роботи кривошипно-шатунного механізму спільно з поршнем, тільки на атомарному рівні. Рішення проблеми передачі і перетворення різних видів енергії одна в іншу в нанорозмірному діапазоні - один з відкритих питань наномеханікі, тому досягнення японських вчених можуть стати в нагоді при розробці наноробототехнікі.

ДНК-машини відкривають шлях наноробота (2006 р.). Періодичні структури на основі молекул ДНК з'явилися ще десять років тому. Тепер же вчені перейшли до конструювання наномеханіческіх ДНК-машин. Недавно вчені-нанотехнологи під керівництвом відомого ДНК-конструктора Неда Сімена створили руку робота на основі молекули ДНК і прикріпили її до двовимірної кристалічної ДНК-матриці. На думку дослідників, це відкриття - перший серйозний крок до розвитку наноробототехнікі. Універсальність молекули ДНК дозволяє тиражувати цей пристрій за допомогою генної інженерії, і тоді вчені зможуть створювати складні наномашини з безліччю маніпуляторів, здатні виконувати складні запрограмовані руху.

Перша робоча мікросхема на нанотрубці (2006 р.). Американським вченим з IBM вдалося вперше у світі створити повнофункціональну інтегральну мікросхему на основі вуглецевої нанотрубки, здатну працювати на терагерцового частотах. Нанопристрій працює на частоті, яка в 100 тис. разів більше, ніж у попередніх нанотрубкової чіпів.

Графен - основний конкурент нанотрубок (2006 р.). У вуглецевих нанотрубок з'явився серйозний конкурент в області наноелектроніки. Це розгорнута в двомірний лист вуглецева нанотрубка або наноматеріал графен, на основі якого вже створені графенові польові транзистори. Завдяки унікальним властивостям вуглецю в просторовій решітці графену, останній характеризується високою мобільністю електронів, що робить графен дуже перспективною основою наноелектронних пристроїв.

Флеш-пам'ять на основі нанотрубок (2006 р.). Нанотрубкової електроніка стає "теплою", і це дозволить їй швидше вийти на споживчий ринок. Групі дослідників вдалося створити флеш-пам'ять на основі нанотрубок. Пристрій поки ще не є повноцінним комерційним продуктом, але вчені сподіваються, що їх дослідження приведуть до розробки нових типів архітектури молекулярної пам'яті і дозволять налагодити масовий випуск таких електронних пристроїв. Нова флеш-осередок - це своєрідний «бутерброд», що складається з нанотрубок, композиту і кремнієвої підкладки. Його товщина всього кілька нанометрів. Природно, пам'ять, виготовлена ​​на основі «нанобутерброда» буде набагато більше мініатюрною, ніж сучасні аналоги.

Створено найшвидший польовий нанотранзистори (2006 р.). Це унікальний пристрій, створене вченими з Гарварда, складається з германієвої / кремнієвого ядра і кремнієвих нанострун. На думку експертів, це найдосконаліший польовий транзистор, який коли-небудь був створений. Ge / Si нанострунний польовий транзистор швидше в 3-4 рази, ніж будь-які сучасні кремнієві.

Транзистор з однієї молекули (2006 р.). Найменший розмір транзисторів, що виготовляються сучасної мікроелектронної промисловістю, становить 45 нанометрів. Новий нанотранзистори QuIET має довжину всього один нанометр. Нанотранзистори меншого розміру до сих пір виготовити не вдавалося. За словами вчених, перехід на надмалі транзистори буде проходити поступово - після закінчення природної еволюції звичайних кремнієвих мікрочипів.

Дисплеї-невидимки з'являться вже в 2008 році (2006 р.). Дослідження зі створення «невидимої» електроніки ведуться давно, але до сих пір вченим не вдавалося створити матеріал для транзисторів, який був би «невидимим» і в той же час забезпечував високу швидкість роботи. Тепер же вченими створено прозорі транзистори, які можуть поєднуватися з такими технологіями, як органічні світлодіоди, рідкокристалічні панелі і електролюмінесцентні дисплеї, які широко використовуються для виготовлення телевізорів, моніторів, ноутбуків і стільникових телефонів. За словами дослідників, дослідні зразки моніторів на прозорих транзисторах з'являться протягом найближчих 12-18 місяців.

"Святий Грааль" від електроніки. У 2006 з'явився новий клас напівпровідникових пристроїв, в які можна інтегрувати нано-магніти методом точного розміщення атомів металу на матеріал, з якого формується підкладка чіпа. Таким чином вчені сподіваються отримати контроль на атомному рівні за архітектурою чіпа і провести об'єднання декількох ключових компонентів комп'ютерів (процесор, пам'ять, жорсткий диск) в один пристрій. Об'єднання цих пристроїв комп'ютерів в один дозволить зменшити енергоспоживання і збільшить швидкість обробки інформації. В перспективі дана технологія може привести до появи на ринку мультимедійні пристроїв з одним чіпом, в якому буде "вся" обчислювальна електроніка і пам'ять. Це і "одноразові" електронні книги, і різні мобільні мультимедійні ігри, і просто "розумна пил". Про масове виробництво подібних чіпів поки не йдеться - вчені розмістили кілька атомів за допомогою зонда скануючого тунельного мікроскопа (СТМ), "вийнявши" попередньо атоми матеріалу підкладки.

"Рідка броня" захистить краще кевлара? (2006 р.). На озброєнні США незабаром може з'явитися обмундирування нового типу, яке за своїми захисними властивостями та ергономічним характеристикам перевершує сучасні кевларові аналоги. Ефект сверхзащіти досягається завдяки спеціальному пакету з кевлара, наповненому розчином надтвердих наночасток в неіспаряющейся рідини. Як тільки відбувається механічний тиск високої енергії на кевларовую оболонку, наночастинки збираються в кластери, змінюючи при цьому структуру розчину рідини, який перетворюється на твердий композит. Цей фазовий перехід відбувається менш ніж за мілісекунду, що і дозволяє захистити солдатів не тільки від ножового удару, але і від кулі або осколка. І нещодавно американський холдинг-виробник солдатського обмундирування і бронежилетів U. S. Armor Holdings ліцензував технологію «рідкого бронежилета» і планує почати його масове виробництво в кінці цього року.

Лабораторія-на-чіпі: експрес-аналізатор крові (2006 р.). Дослідники з Каліфорнійського технологічного інституту розробили портативний аналізатор крові, який буде виконувати точний аналіз всього за 2 хвилини. Вони миниатюризировать лічильну машину-аналізатор, яка використовується в звичайних лабораторіях, і отримали пристрій, що не перевищує розмірами мобільний телефон. В результаті вийшла справжня портативна лабораторія, здатна проводити аналіз по краплі крові.

Нанотрубки в регенерації тканин мозку і серцевого м'яза (2006 р.). Одним з найбільш цікавих досягнень вчених в області наномедицини виявилася технологія відновлення пошкодженої нервової такни за допомогою вуглецевих нанотрубок. Як показали експерименти, після імплантування в пошкоджені ділянки мозку спеціальних матриць з нанотрубок в розчині стовбурових клітин вже через вісім тижнів вчені виявили відновлення нервової тканини. Однак при використанні нанотрубок або стовбурових клітин окремо аналогічного результату не було. На думку вчених, це відкриття дозволить допомогти людям, страждаючим хворобою Альцгеймера і Паркінсона. Наноструктури також можуть допомогти в відновлювальної терапії після гострих серцевих захворювань. Так, наночастинки, введені в кровоносні судини мишей, допомогли відновити серцево-судинну діяльність після інфаркту міокарда. Принцип методу полягає в тому, що самозбирається полімерні наночастинки допомагають «запустити» природні механізми відновлення судин.

Нано-Гуттенберг: перший "друкований верстат" для наноструктур (2006 р.). Фундамент для майбутнього масового застосування наносистем заклали дослідники з Північно-Західного університету США, які розробили установку, що дозволяє виробляти в нанорозмірному діапазоні одночасно до 55 тис. наноструктур з атомарної точністю і однаковим молекулярним шаблоном на поверхні. Установка використовує технологію нанолітографії глибокого пера, яка і дозволяє робити «масові» відбитки, як якщо б наносистеми друкувалися на друкарському верстаті. Але для типографських технологій одного пера буде недостатньо, тому вчені скомбінували близько тисячі незалежно керованих пір'я. Завдяки такому підходу, нанолітографії глибокого пера стала універсальним інструментом для виробництва напівпровідникових компонентів зі складною структурою.

Розділ II. Перспективи розвитку і проблеми.

3.1. Економіка і фінансування.

Розвиток нанотехнологій неможливо без самого сучасного наукового обладнання (найскромніша нанолабораторія коштує не менше 10 млн. доларів). На думку експертів, щоб нанотехнології стали реальністю, щорічно необхідно витрачати не менше $ 1 трлн. Саме фінансування даної галузі є першорядним фактором розвитку. Нанотехнологія є високотехнологічної галуззю науки, а розвиток таких областей неможливо без серйозних капіталовкладень.

У 2000 р. в США прийнята довгострокова президентська комплексна програма фінансування нанотехнологій (в 2001 р. - 460 млн. доларів, в 2004 р. - 1 млрд., 2005-2007 г - 1,2 млрд. доларів на рік.). В 2001-2002 рр.. подібні програми прийняті в Євросоюзі, Японії, Китаї, Південній Кореї та ін У Росії фінансування нанотехнологій в 2001-2004 р. не перевищувала 20 млн. доларів в рік з усіх наукових програмах. Але в 2005-2006 р. з затвердженням нової редакції ФЦНТП "Дослідження і розробки за пріоритетними напрямами розвитку науки і техніки на 2002-2006 роки" фінансування зросло на 70 млн. доларів на рік. в рамках пріоритетного напрямку "Індустрія наносистем і матеріали".

З початку 2007 р. в Росії діє Федеральна цільова програма (ФЦП) "Дослідження та розробки з пріоритетних напрямів розвитку науково-технологічного комплексу Росії на 2007 - 2012 роки" з бюджетним фінансуванням у розмірі 134 млрд. рублів (5 млрд. доларів), з яких на частку нанотехнологій припадає менше 50. В даний час йде створення Російської корпорації нанотехнологій, на фінансування якої найближчим 4 роки планується направити 180 млрд. рублів (з них 130 млрд. руб. З федерального бюджету, в 2007 р. - 30 млрд. руб.)

За прогнозами Національної Ініціативи в Області Нанотехнології США, розвиток нанотехнологій через 10-15 років дозволить створити нову галузь економіки з обігом у $ 15 млрд. і приблизно 2 млн. робочих місць.

Виходячи з цього, в розвинених країнах (США, Японія, Росія, європейські держави) обсяг коштів, витрачених на нанотехнології, поступово збільшується (рис. 2).